磁性生物炭促进酚类化合物厌氧产甲烷的作用机制研究

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酚类化合物作为重要的化工原料或中间体,随着工业生产过程排放进入水体。含酚废水具有降解性能差、生物毒性高等特点,常规处理技术无法实现经济高效的去除,对环境具有严重污染威胁。厌氧生物处理技术具有毒性负荷高、运行成本低、节能高效等优点,在工业废水处理中应用广泛。然而,由于对环境条件敏感(如p H、温度、有机负荷、有毒物质等),厌氧工艺处理含酚废水的效能不能满足日益严苛的废水处理标准。因此,亟需研发经济高效的新型厌氧强化技术解决难降解含酚废水的瓶颈。本研究以废水处理产生的剩余污泥作为炭前驱体,优化制备了氮掺杂污泥基活性炭(N-SBAC),在其表面负载了微米级高含铁粉煤灰(MHIFA),得到MHIFA/N-SBAC,分析了MHIFA/N-SBAC强化厌氧降解高浓度2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)的效能和作用机理,利用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器将MHIFA/N-SBAC用于强化厌氧降解煤气化废水,并分析其作用效能和应用性,得到结果如下:(1)利用SEM、BET、XRF、XPS、XRD、FTIR等技术对制备的磁性炭材料进行表征,SEM结果表明MHIFA负载于N-SBAC表面后,Fe3O4颗粒呈簇状均匀分散在表面和孔隙内。BET结果表明该MHIFA/N-SBAC的比表面积为307.45 m~2/g,孔径属于介孔类。XRF结果表明,MHIFA/N-SBAC中Fe3O4的质量分数达到21.33%。XPS数据表明负载的磁性导电金属为Fe3O4。XRD图谱分析表明MHIFA/N-SBAC在2θ处的衍射峰符合Fe3O4的标准XRD谱图。FTIR结果表明在581 cm-1处存在MHIFA/N-SBAC的Fe-O官能团特征峰。此外,在MHIFA/N-SBAC的浸出实验中,几种主要的重金属离子浓度远远低于规定的允许浸出浓度,符合国家排放标准。以上结果均表明制备的MHIFA/N-SBAC的性能可靠安全。(2)将MHIFA/N-SBAC用于强化厌氧降解高浓度2,4,6-TCP,结果表明,在MHIFA/N-SBAC的辅助下,COD和2,4,6-三氯苯酚的最终去除率分别达到75.6%和75.1%,是对照组的2.1倍和1.81倍。最大甲烷产率达到107.25 m L/d,约为对照组(64.88m L/d)的1.65倍。添加MHIFA/N-SBAC增加了厌氧活性污泥中的生物量和电导率,同时提高了胞外聚合物和辅酶F420的浓度。微生物群落结构分析表明,MHIFA/N-SBAC的添加改变了微生物群落结构,假单胞菌(Pseudomonas)的相对丰度为35.82%,而在对照组中仅占26.20%,富集的产电细菌假单胞菌可能通过MHIFA/N-SBAC辅助的生物电连接与甲烷丝菌属(Methanothrix)进行直接种间电子传递(DIET),从而进一步促进2,4,6-TCP的厌氧降解。作为MHIFA/N-SBAC诱导的功能菌属,固氮菌(Azotobacter)的相对丰度为39.06%,而在对照组中仅占28.59%,通过维持NADH/NAD+平衡在产氢代谢中发挥关键作用。COGs功能数据表明,在MHIFA/N-SBAC的诱导下,微生物的“氨基酸转运代谢”、“碳转运与代谢”的功能丰度增加,促进了酚类化合物的降解以及向最终产物的转化。(3)利用UASB反应器将MHIFA/N-SBAC应用于强化厌氧降解煤气化废水,结果表明,在MHIFA/N-SBAC的辅助下,废水COD去除率提高到64.4%,平均甲烷产率达到1093.6 m L/d,同时,MHIFA/N-SBAC显著提高煤气化废水可生化性,并降低急性生物毒性。污泥特性分析结果表明,MHIFA/N-SBAC促进微生物生长和酶活性,使得胞外聚合物和辅酶F420浓度升高,同时,MHIFA/N-SBAC还以大量特异信号分子和低扩散信号因子的形式促进污泥颗粒化进程。MHIFA/N-SBAC的存在增加了微生物种群的丰度和多样性,尤其是促进了地杆菌属(Geobacter)的生长和聚集,地杆菌属与甲烷丝菌属之间的生物电连接可能通过DIET过程得到加强。结合高污染物去除率和甲烷生成率,推测通过DIET加速的电子转移可能促进了煤气化废水中难降解污染物向甲烷的转化。在总酚和p H冲击下,MHIFA/N-SBAC提高了UASB反应器的耐受性和稳定性。综上所述,MHIFA/N-SBAC对厌氧降解高浓度2,4,6-TCP具有显著的强化作用。更重要的是,MHIFA/N-SBAC在厌氧降解煤气化废水中具有良好的实际应用性。本研究将厌氧电子传递的理论研究与实际应用相结合,不仅有效解决了含酚污染物厌氧高效降解的瓶颈,还实现了废弃物的高资源化利用,具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。同时,为解决含酚废水处理难题提供了理论基础和技术支撑,具有良好的现实意义和工业应用前景。
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